DOI: https://doi.org/10.5194/nhess-26-1287-2026
تاريخ النشر: 2026-03-11
المؤلف: Yusuke Hiraga وآخرون
الموضوع الرئيسي: الظواهر الجوية والمحاكاة
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة فعالية تلقيح السحب كاستراتيجية للتخفيف من الأمطار الغزيرة المحلية المرتبطة بالأنظمة الحملية المتوسطة في اليابان، وتحديداً خلال حدث هطول أمطار غزيرة في محافظة هيروشيما في أغسطس 2014. باستخدام نموذج توقعات الطقس العددي، أجرى الباحثون تجارب من خلال زيادة تركيزات نوى الثلج بشكل اصطناعي ضمن إطار عمل ميكروفيزيائي مزدوج اللحظة. تم تقييم حساسية تغييرات الأمطار بناءً على الارتفاع والمنطقة التي تم فيها التلقيح.
تشير النتائج إلى أن التلقيح في الطبقة المتوسطة العليا من التروبوسفير (7.2-8.6 كم) عند درجات حرارة تتراوح بين -22 و -12 °م أنتج أكبر تخفيضات في الأمطار. أظهر هذا الارتفاع محتوى عالٍ من مياه السحب فوق المبردة وصعود قوي، مما سهل التجمد غير المتجانس، مما أدى إلى استنفاد الرطوبة وكبح نمو الجراوبيل. أظهرت النتائج أن تلقيح السحب لم يقلل فقط من الأمطار في منطقة الأمطار الغزيرة المستهدفة، بل زاد أيضًا من الهطول في اتجاه الرياح، مما يدعم آلية التشتت المقترحة لـ “التلقيح الزائد”. ومن الجدير بالذكر أن توسيع منطقة التلقيح upstream من منطقة الأمطار الغزيرة أثبت أنه أكثر فعالية من مجرد زيادة الامتداد العمودي للتلقيح. أدت التكوينات المثلى (24 كم × 24 كم عند 7.2 كم) إلى انخفاض بنسبة 11.5% في متوسط الأمطار المتراكمة على مدى 3 ساعات، مع أقصى انخفاض بنسبة 32% في منطقة الأمطار الغزيرة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تمثيلات أكثر واقعية لمواد التلقيح واستكشاف مجموعة أوسع من أحداث الأمطار لتعزيز قابلية تعميم هذه النتائج.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على تزايد تكرار وشدة أحداث الأمطار الغزيرة، التي أدت إلى كوارث هيدروميتورولوجية كبيرة على مستوى العالم (فيشر وكنوتي، 2016؛ باباليكسيou ومونتاناري، 2019). من المتوقع أن تتصاعد هذه الاتجاهات بسبب تغير المناخ، مما يزيد من حدوث مثل هذه الظواهر الجوية المتطرفة (ترينبيرث، 2011؛ بفال وآخرون، 2017؛ تاباري، 2020). وبالتالي، أصبح تطوير استراتيجيات فعالة للتخفيف من الكوارث الناتجة عن الأمطار الغزيرة مصدر قلق كبير في علم الهيدروميتورولوجيا والهيدرولوجيا.
تشمل الأساليب التقليدية للتخفيف من آثار الأمطار الغزيرة بناء السدود والحوائط الارتفاعية التي تهدف إلى تعزيز سلامة الفيضانات، إلى جانب تنظيم استخدام الأراضي وتخطيط الإخلاء لتقليل مخاطر الكوارث (كريبش وآخرون، 2015). هذه الاستراتيجيات التقليدية ضرورية، ومع ذلك، تشير المقدمة إلى الحاجة إلى حلول مبتكرة لمعالجة التحديات التي تطرحها الزيادة المتوقعة في أحداث الأمطار الغزيرة.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون نموذج أبحاث الطقس والتوقعات (WRF) لمحاكاة حدث هطول أمطار غزيرة، يُشار إليه باسم تشغيل CTL، والذي أعاد إنتاج أنماط الأمطار الملاحظة والهياكل الحملية بدقة، كما تم التحقق من صحتها مقابل الملاحظات المستندة إلى الرادار. بدأت تكامل النموذج بفترة دوران مدتها 16 ساعة تبدأ في الساعة 00:00 UTC في 19 أغسطس 2014. بعد نجاح المحاكاة، تم إجراء تجارب تلقيح السحب لتقييم إمكانية هذه التقنية في التخفيف من الأمطار الغزيرة.
تم تنفيذ التلقيح الزائد من خلال زيادة تركيز نوى الثلج بشكل اصطناعي، وفقًا للمنهجيات التي وضعتها الدراسات السابقة (سوزوكي وآخرون، 2012؛ يوكوياما وآخرون، 2015؛ نوزاكي وآخرون، 2024). تم حساب عدد نوى الثلج باستخدام صيغة ماير ضمن مخطط ميكروفيزياء السحب ذو اللحظتين، المعبر عنها كالتالي:
\[
n_c = \exp\{-2.80 + 0.262 \times (273.15 – T)\} \times \beta
\]
حيث يمثل \(n_c\) تركيز نوى الثلج لكل كيلوغرام، و\(T\) هو درجة حرارة الهواء بالكلفن، و\(\beta\) هو مضاعف بلا وحدة لتجارب التلقيح. تسهل تنفيذ النموذج لصيغة ماير تجمد قطرات السحب تحت ظروف معينة، مما يمكّن من التحقيق في تأثيرات تلقيح السحب على ديناميات الأمطار.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش الورقة الأساليب التاريخية والمعاصرة لتعديل الطقس، مع التركيز بشكل خاص على تقنيات تلقيح السحب التي تهدف إلى التخفيف من أحداث الأمطار الغزيرة. تاريخياً، حاولت مشاريع مثل مشروع سيروس ومشروع ستورمفوري إضعاف الأعاصير من خلال تلقيح السحب، لكن كان من الصعب التحقق من صحتها العلمية، مما أدى إلى توقفها. أدت التقدمات الحديثة في النمذجة العددية والبيانات المناخية إلى إحياء الاهتمام بتعديل الطقس، كما يتضح من “برنامج أبحاث وتطوير القمر الصناعي” في اليابان، الذي يسعى لتطوير تقنيات لقمع الأمطار الغزيرة بحلول عام 2050. تبحث هذه الدراسة بشكل خاص في فعالية تلقيح السحب الزائد في التخفيف من الأمطار الغزيرة المحلية المرتبطة بالأنظمة الحملية المتوسطة (MCSs) في اليابان، مع التركيز بشكل خاص على أنظمة “سينجو-كوسويتاي” المسؤولة عن أحداث الأمطار الشديدة.
يتضمن مفهوم التلقيح الزائد إدخال كمية مفرطة من نوى الثلج في السحب الحملية، مما يمكن أن يعيق نمو بلورات الثلج الفردية ويعيد توزيع الهطول على منطقة أوسع. تستخدم الدراسة تجارب عددية باستخدام نموذج أبحاث الطقس والتوقعات (WRF) لتقييم حساسية استجابات الأمطار لظروف التلقيح المختلفة خلال حدث هطول أمطار كبير في هيروشيما في أغسطس 2014. تشير النتائج الأولية إلى أن التلقيح على ارتفاعات مثالية (حوالي 7.2 كم) يمكن أن يقلل بشكل فعال من شدة الأمطار القصوى ومدى انتشارها، مع ملاحظات انخفاضات تتراوح بين 10%-30% تحت ظروف مواتية. ومع ذلك، تبرز الدراسة الحاجة إلى مزيد من التحقيقات المنهجية في معلمات التلقيح الرئيسية وتأثيراتها على العمليات الميكروفيزيائية للسحب والديناميات المتوسطة لتعزيز الفهم وفعالية تلقيح السحب كاستراتيجية لتقليل مخاطر الكوارث.
القيود
تستعرض هذه القسم ثلاث قيود رئيسية للدراسة حول تلقيح السحب وتأثيراته على التشغيل. أولاً، تمثيل الدراسة لتلقيح السحب من خلال تعديلات على تركيز نوى الثلج باستخدام مخطط ميكروفيزياء مزدوجة اللحظة يفتقر إلى اعتبار النقل والانتشار لوكلاء التلقيح، مما قد يؤدي إلى سلوكيات غير واقعية في المحاكاة. يجب أن تتضمن الأبحاث المستقبلية نماذج أكثر تطوراً تأخذ في الاعتبار بشكل صريح النقل والتفاعل لمواد التلقيح مع الظروف الجوية، كما يتضح من الأعمال السابقة مثل تلك التي قام بها شيو وآخرون (2013) وغو وآخرون (2024).
ثانياً، لا تعالج الدراسة بشكل كافٍ الجدوى العملية لعمليات تلقيح السحب. بينما تركز على الظروف المثالية لفحص العمليات المفترضة للتلقيح الزائد، يتطلب التنفيذ في العالم الحقيقي تقييمًا شاملاً لدقة التوقعات، والقيود الملاحظة، واعتبارات السلامة، خاصة في البيئات المضطربة. يقدم الاستخدام المحتمل للطائرات بدون طيار (UAVs) لعمليات التلقيح فرصًا ولكن أيضًا عدم اليقين بشأن جدواها العملية.
أخيرًا، تقتصر قوة استجابات الأمطار المحاكية على تباين النموذج الداخلي والفوضى الجوية. يعتمد التحليل على تجارب فردية لكل تكوين تلقيح، مما قد لا يلتقط النطاق الكامل للاستجابات بسبب الطبيعة غير الخطية للأنظمة الحملية. لتعزيز موثوقية النتائج، يجب أن تستخدم الدراسات المستقبلية محاكاة جماعية تأخذ في الاعتبار تجارب متعددة مع ظروف ابتدائية متنوعة، مما يعزل تأثيرات التلقيح عن التباين الفوضوي.
DOI: https://doi.org/10.5194/nhess-26-1287-2026
Publication Date: 2026-03-11
Author(s): Yusuke Hiraga et al.
Primary Topic: Meteorological Phenomena and Simulations
Overview
This study explores the efficacy of cloud seeding as a strategy to mitigate localized extreme rainfall associated with mesoscale convective systems in Japan, specifically during a heavy rainfall event in Hiroshima Prefecture in August 2014. Utilizing a numerical weather prediction model, the researchers conducted experiments by artificially increasing ice nuclei concentrations within a double-moment microphysics framework. The sensitivity of rainfall alterations was assessed based on the altitude and area of the seeding.
The findings indicate that seeding in the mid-upper troposphere (7.2-8.6 km) at temperatures between -22 and -12 °C produced the most significant reductions in rainfall. This altitude exhibited high supercooled cloud water content and robust updrafts, which facilitated heterogeneous freezing, leading to moisture depletion and suppressed graupel growth. The results demonstrated that cloud seeding not only reduced rainfall in the targeted heavy rainfall region but also increased precipitation downwind, supporting the proposed dispersal mechanism of “overseeding.” Notably, expanding the seeding area upstream of the heavy rainfall zone proved more effective than merely increasing the vertical extent of the seeding. The optimal configuration (24 km × 24 km at 7.2 km) resulted in an 11.5% decrease in area-averaged 3-hour accumulated rainfall, with a maximum reduction of 32% in the heavy rainfall area. Future research should focus on more realistic representations of seeding materials and investigate a broader range of rainfall events to enhance the generalizability of these findings.
Introduction
The introduction highlights the increasing frequency and intensity of extreme rainfall events, which have led to significant hydrometeorological disasters globally (Fischer and Knutti, 2016; Papalexiou and Montanari, 2019). These trends are anticipated to escalate due to climate change, further exacerbating the occurrence of such extreme weather phenomena (Trenberth, 2011; Pfahl et al., 2017; Tabari, 2020). Consequently, the development of effective mitigation strategies for disasters induced by extreme rainfall has emerged as a critical concern within hydrometeorology and hydrology.
Traditional approaches to mitigate the impacts of heavy rainfall include the construction of levees and dams aimed at enhancing flood safety, alongside land-use regulations and evacuation planning to minimize disaster risks (Kreibich et al., 2015). These conventional strategies are essential, yet the introduction suggests a need for innovative solutions to address the challenges posed by the anticipated increase in extreme rainfall events.
Methods
In this study, the authors utilized the Weather Research and Forecasting (WRF) model to simulate a heavy rainfall event, referred to as the CTL run, which accurately reproduced the observed rainfall patterns and convective structures, as validated against radar-based observations. The model integration commenced with a 16-hour spin-up period starting at 00:00 UTC on August 19, 2014. Following the successful simulation, cloud overseeding experiments were conducted to assess the potential of this technique in mitigating heavy rainfall.
The overseeding was implemented by artificially increasing the concentration of ice nuclei, in accordance with methodologies established by previous studies (Suzuki et al., 2012; Yokoyama et al., 2015; Nozaki et al., 2024). The number of ice nuclei was calculated using Meyer’s formula within the Morrison 2-moment cloud microphysics scheme, expressed as:
\[
n_c = \exp\{-2.80 + 0.262 \times (273.15 – T)\} \times \beta
\]
where \(n_c\) represents the ice nucleus concentration per kilogram, \(T\) is the air temperature in Kelvin, and \(\beta\) is a unitless multiplier for the seeding experiments. The model’s implementation of Meyer’s formula facilitates the freezing of cloud droplets under specific conditions, thereby enabling the investigation of cloud seeding effects on rainfall dynamics.
Discussion
In this section, the paper discusses the historical and contemporary approaches to weather modification, particularly focusing on cloud seeding techniques aimed at mitigating extreme rainfall events. Historically, projects like Project Cirrus and Project Stormfury attempted to weaken hurricanes through cloud seeding, but their scientific validation was challenging, leading to their discontinuation. Recent advancements in numerical modeling and meteorological data have revitalized interest in weather modification, exemplified by Japan’s “Moonshot Research and Development Program,” which seeks to develop technologies to suppress extreme rainfall by 2050. This study specifically investigates the effectiveness of cloud overseeding in mitigating localized heavy rainfall associated with mesoscale convective systems (MCSs) in Japan, particularly focusing on the “Senjo-Kousuitai” systems responsible for severe rainfall events.
The concept of overseeding involves introducing an excessive quantity of ice nuclei into convective clouds, which can inhibit the growth of individual ice crystals and redistribute precipitation over a broader area. The study employs numerical experiments using the Weather Research and Forecasting (WRF) model to assess the sensitivity of rainfall responses to various seeding conditions during a significant rainfall event in Hiroshima in August 2014. Initial findings indicate that seeding at optimal altitudes (around 7.2 km) can effectively reduce peak rainfall intensity and spatial extent, with reductions of 10%-30% observed under favorable conditions. However, the study highlights the need for further systematic investigations into key seeding parameters and their influence on cloud microphysical processes and mesoscale dynamics to enhance the understanding and effectiveness of cloud seeding as a disaster risk reduction strategy.
Limitations
This section outlines three primary limitations of the study on cloud seeding and its implications for operationalization. First, the study’s representation of cloud seeding through modifications to ice nucleus concentration using a double-moment microphysics scheme lacks consideration of the advection and diffusion of seeding agents, potentially leading to unrealistic behaviors in the simulation. Future research should incorporate more sophisticated models that explicitly account for the transport and interaction of seeding materials with atmospheric conditions, as demonstrated by previous works such as those by Xue et al. (2013) and Guo et al. (2024).
Second, the study does not adequately address the practical feasibility of cloud seeding operations. While it focuses on idealized conditions for examining the hypothesized overseeding processes, real-world implementation requires a thorough evaluation of forecasting accuracy, observational constraints, and safety considerations, particularly in turbulent environments. The potential use of unmanned aerial vehicles (UAVs) for seeding operations presents opportunities but also uncertainties regarding their practical viability.
Lastly, the robustness of the simulated rainfall responses is limited by internal model variability and atmospheric chaos. The analysis relies on single realizations for each seeding configuration, which may not capture the full range of responses due to the nonlinear nature of convective systems. To enhance the reliability of findings, future studies should employ ensemble simulations that account for multiple realizations with varied initial conditions, thereby isolating the effects of seeding from chaotic variability.